Hóa lý và hóa keo part 9 ppt

Hiện nay, người ta đều thừa nhận lý thuyết cấu tạo mixen của hạt keo, Một mixcn bao gồm: Nhân: được tạo ra bởi sự tổ hợp của m phân tử hay nguyên tử m có thể bằng hàng trăm hoặc hàng ngà

Bang 13-2 Su thay đổi bề mặt theo độ phân tán

Số hạt

1

1.10 1.10

6

6.102 6.10%

1 10 fo" liệ phân tán phân | Pha phân tán là các phân tử, ion Dung

tử, ion hay dung | môi là môi trường phân tán Các hệ địch thực này tuân theo các định luật hoá lý, rất

bền vững

2 109-107 | 10-10” | Hệ phân tán keo = | Tính chất của các hệ này tuân theo

hệ keo những quy luật của hoá keo, tương đối

13.1.2 Cấu tạo của hạt keo

Thực nghiệm chứng tỏ rằng, bề mật các hạt keo luôn luôn tích điện Chính nhờ tính chat đó

mà hạt keo được bên vững, chúng khó va chạm (có hiệu quả) vào nhau để tạo thành các cụm hạt lớn hơn, rồi keo tụ

Hiện nay, người ta đều thừa nhận lý thuyết cấu tạo mixen của hạt keo,

Một mixcn bao gồm:

Nhân: được tạo ra bởi sự tổ hợp của m phân tử hay nguyên tử (m có thể bằng hàng trăm hoặc hàng ngàn, tuỳ thuộc vào độ phân tán và kích thước nguyên tử, phân tử) Nhân có cấu trúc tỉnh thể và không tan trong môi trường phân tán Trên bể mại của nhân, một số ion trong dung dich

(trong môi trường phân tán) bị hấp phụ theo quy tắc hấp phụ chọn lọc (xem mục 6.2.2 (hấp phụ chất điện ly)), Các ion này được gọi là các ¿on tạo thế:

Xung quanh nhân có một lớp chất lỏng của môi trường phân tán thấm ướt bé mat hại keo với độ dày 5 Lop chat long luôn bám chắc với nhân keo khi nhân chuyển động và được gọi là lop Stern Bề mặ: ngoài của lớp $ern được gọi là bể mặt mặt /rượt Bề mặt này phân chia pha phân tán

và môi trường phân tán Trong Idp Stern dé, có một số ion đối nằm cân bằng với các ion tạo thế, hình thành nên một lớp điện tích kép như trên bề mặt điện cực

Ngoài bể mặt trượi, còn có một số ion đối của ion tạo thế nằm wong lop khuéch tán và tạo

ra điện thế š (zeta) trên bề mật trượt

Nhiều khi bể mật hạt keo tích điện không phải đo hấp phụ các ion trong dung dịch, mà do ban thân bể mặt hạt keo có các nhóm chức mang điện tích

V dự 1: Khi thực hiện phản ứng:

AgNO, + KI = Agh + KNO, Các phân tử Agl liên kết với nhau thành các hạt keo dưới dạng (Agl)„ Nếu trong dung dich còn dư AgNO; nghĩa là có các ion Ag* va NO,, theo quy tắc hấp phụ chọn lọc, (Ag]),¿ sẽ hấp phụ các lon Ag” trong dung dịch, vì Ag” có trong thành phần cấu tạo của nó (mục 6.2.2) Ag" là lon tạo thế, hạt keo mang điện tích đương Các ion NO; được phan bố trong lớp Serr (lớp hấp phụ) và lớp khuếch tán để cân bằng với điện tích Ag* ở bề mặt hạt (Ag),

Cấu tạo mixen của keo iodua bạc như sau:

(lớp hấp phụ)

` +

Mixen Như vậy mixen là một đơn vị cấu trúc trung hoà điện tích

1 ƒƒ dụ 2: Các hạt keo SiO;, khi ở 1rong nước thường hình thành các nhóm bẻ mật Si-OH Các nhóm này khi pH > 2 bị phân ly thành:

=Si-OH = =Si-O + Ir Nhóm = Si~O' chính là nhóm tạo thế, Do đó bề mặt của các hạt keo silic thường mang điện tích âm

450

Sơ đồ cấu tạo mixen của một hạt keo SiO, (hinh 13-1a va 13-1b)

[ (SiO), nO" (rex) H] x H

Nhan Lớp Stern, 57 Lớp khuếch tin

Bề mật trượt _—————>———————Ừ

Ở bề mật trượt của hạt keo luôn tồn tại một điện thế š Tính chất bền vững của các hạt, chủ yếu nhờ điện thé & do

ASL.

13.1.3 Điều chế và làm sạch đung dịch keo

Dung dịch keo có độ phân tán nằm giữa hệ phân tán phân tử (dung dịch thực) và phân tán thô Do đó, có hai phương pháp chính để điều chế:

- Phương pháp phân tán: phân chía các hạt đến kích thước nhỏ hơn: kích thước các hat keo q67 - 10”)

- Phương pháp ngưng tụ: tập hợp (ngưng tụ) các phân tử, ion thành hạt keo có kích thước lớn hơn,

Có thể tóm tắt sơ đồ nguyên tắc điều chế dung dịch keo như sau:

(d : kích thước hạt)

(i) Phương pháp ngưng tụ

Cơ sở lý thuyết: phương pháp ngưng tụ thực chất là phương pháp kết tỉnh từ dung dịch thực quá bão hoà thành những mầm tỉnh thể tương ứng với kích thước của hạt keo “4

Nhưng chúng ta đã biết, quá trình kết tỉnh bao gồm hai giai đoạn (xem mục 8.2.5): giai đoạn tạo mầm và giai đoạn phát triển mầm

Tốc độ giai đoạn tạo mầm vạ (8-12):

AT: độ quá bão hoà

Như vậy, quá trình tạo mầm và phát triển mầm đều phụ thuộc vào nhiệt độ kết tỉnh (độ quá bão hoà), sức căng bể mặt của pha phân tán, bản chất pha phân tán và năng lượng hoạt hoá khuếch tán Trong đó, yếu tố quá bão hoà (AT) ảnh hưởng đến tốc độ tạo mầm lớn hơn so với tốc độ phát triển mầm (so sánh giữa (8-12) và (8-13)

Mat khác, chúng ta đều biết rằng, khi vụ„ > v„„, thì số mdm tạo ra nhiều hơn và do đỏ kích thước tính thể sẽ nhỏ Ngược lại, vụ„ < v„„, thì số mầm tạo ra ít, do đó kích thước tỉnh thể sẽ lớn

Do đó, đối với một dung dich đã cho, người ta thường khống chế nhiệt độ kết tỉnh sao cho quan hệ giữa vụ, và vụ„, thích hợp để tạo ra các cụm tỉnh thể có kích thước tương ứng với hạt keo (107 - 10”m)

Khác với các quá trình kết tỉnh để tạo ra các vật liệu rắn, các tinh thể nhỏ đản dân sẽ tụ hợp với nhau thành một khối rắn, ở đây cần phải khống chế thời gian, và các yếu tố khác, để "dừng" lại quá trình kết tình ứng với các tiểu phân rắn có kích thước mong muốn

© — Ngưng tụ do phản ứng hoá học:

Dựa trên các phản ứng tạo ra các chất khó hoà tan:

Vi du J: Phan tng:

AgNO, + KI = Agi + KNO,

Nếu dư KI thì keo có cấu tạo như sau:

lcAgl qf (n— x)K] “xKt

Ví dụ 2:

453

2H,S + 0, = 2H,O +25 [s „mHSr {m~—x) wl xH:

đô— Phương phỏp ngưng tị hơi

Trong phương phỏp này, người ta dựng một dụng cụ như ở hỡnh 13-2

Er Baim bit

=

Hỡnh 13-2 Sơ đồ dụng cụ điều chế keo bằng phương phỏp ngưng tụ hơi

Chất bị phõn tỏn được chứa trong bỡnh B, dung mụi trong bỡnh A Dụng cụ được hỳt chõn khụng qua một bỡnh làm lạnh bằng nitơ lỏng (E) Sau dộ, nito long được cho vào bỡnh D Binh A va

B được gia nhiệt Hơi của dung mụi và pha phõn tỏn bay lờn gặp lạnh ngưng tụ ở bể mặt ngoài bỡnh

D Thành phần của hơi ngưng tụ được khống chế bởi nhiệt độ của A và B San khi ngừng làm lạnh (lấy hết nitơ lỏng trong bỡnh D), khối ngưng tụ tan ra chảy xuống bỡnh C dưới dang mot dung dich keo lỏng Phương phỏp này cho phộp điều chế cỏc sol hữu cơ - kim loại, nước - kim loại (Na, K, Hg, ) cú độ sạch cao nhất

454

«© Phuong phdp thay thé dung moi

Nội dụng của phương pháp này là ở chỗ: thêm vào một dung dich thực một thể tích tương đối lớn của một chat long khác, chất lỏng này là dung môi khó tan đối với chất tan và không tan lần với dung môi của dung dịch trên Nhờ đó, hình thành một dung dịch quá bão hoà của chất tan trong dụng môi mới, chất tan bất đầu ngưng tụ (kết tỉnh) thành các hạt keo Phương pháp này cho phép điều chế các dung dịch keo của lưu huỳnh, xelen, phospho

(ii) Phương pháp phán tán

® Phương pháp cơ học

Người ta dùng các máy nghiễn keo đặc biệt để nghiền các vật liệu rắn nhỏ đến kích thước các hạt keo Để nâng cao hiệu quả nghiền nhỏ, nguyên liệu được sử dụng không ở dạng khô mà là đạng huyền phù thô Đồng thời, để giảm độ cứng của vật liệu, để tạo độ bên của hệ keo người ta thêm vào các chất giảm độ cứng (NaCl, NaOH, Na,CO,, ) và chất ổn định Phương pháp này được

sử dụng để điều chế bột màu cao cấp, vật liệu kết dính, mỡ bôi trơn,

© Phương pháp sử dụng năng lượng điện

Hình 13-3 Điều chế sol bằng phương pháp phóng điện

Thực hiện phóng điện qua hai điện cực được làm bằng chất phân tán, nhúng trong môi trường phân tần (hình 13-3) Nếu môi trường phân tán là nước thì người ta dùng biện pháp phóng điện hồ quang tần số thấp để nhận được các sol của các kim loại khác nhau Ví đụ, điều chế sol vàng (Âu) trong môi trường axit hoá Trong đó vàng kim loại bay hơi từ bề mặt điện cực ở dạng các nguyên tứ Âu riêng rẽ sau đó ngưng tự thành các hạt keo vàng (Au), Trên bể mặt các nhân keo đó hình thành các axit HAuCl,, phân ly thành H* và AuCl, Ion AuCt; cố định ở bể mặt nhân, H* nằm trong lớp hấp phụ của mixen Kết quả nhận được các hạt keo có cấu tạo như sau:

lá»), ,nAuCl; (n — xe) _

© — Phương pháp phân tán hod học hay phương pháp pepti hod ”

Thêm vào một kết tủa còn xốp và mới, một chất pepti hoá thích hợp (thường là các chất điện ly) Kết tủa sẽ chuyển vào trạng thái keo (sol) Phương phấp này có thể áp dụng cho các sản phẩm vừa mới keo tụ Vì lúc đó, các tinh thể nhỏ chưa kịp tiếp tục kết tỉnh thành tình thể lớn

Ví dụ: Pept hoá kết tủa hydroxyt sắt vừa mới hình thành bằng FeCl,:

nEe(OIT); + nFeC]; + nH,O = |Fe(OH); »nFeO* (n -wer] scr +2nHCl

®— Phương pháp phân tán bằng siêu âm

Phương pháp này được thực hiện trong môi trường sóng siêu âm có tần số 10” - 10” Hz Đây là phương pháp được áp dụng khá rộng rãi trong việc điểu chế các huyền phù và nhũ tương khác nhau

(iii) Lam sạch các hệ keo

e Thẩm tích thường

Dung dịch keo sau khi điều chế luôn chứa các chất điện ly lạ, làm sai khác các tính chất của đụng dịch keo Vì thế, người ta phải tách bỏ các chất điện ly tạ có trong sol, Quá trình tách bỏ chất điện ly được goi la thdin tich, Dụng cụ tương ứng được gọi là bình thẩm tích

Sự thẩm tích đựa trên cơ sở tốc độ khuếch tán khác nhau cửa các ion và của các hạt keo qua màng bán thấm

Màng bán thấm được điểu chế từ colodion, xenlophan, giấy da cừu, vật liệu sứ xốp, các màng thực vật

Sơ đồ bình thẩm tích đơn giản nhất như trên hình 13-4 Túi dung sol được làm bằng màng bán thấm (ví dụ, bằng colodion) đựng dung dịch keo cần xử lý, được nhúng vào mội cốc nước tinh khiết (nước được thay đổi liên tực hoặc gián đoạn, tuỳ điều kiện) Các phân tử và ion chuyển qua màng bán thấm dé dang, các hạt keo bị giữ lại Khi túi dung sol nhúng vào nước thì các ion chất điện ly khuếch tán từ sol đến nước, còn các phân tử nước thì từ nước vào sol Do dé, sol duge lầm sạch khỏi chất điện ly Tuy nhiên, nếu thẩm tích quá lâu thì không những chất điện ly bị loại bỏ mà cả các chất ổn định keo cũng mất dan

* Pepti hoá (peptization): hiện tượng chuyển các sản phẩm keo tụ thành sol

456

Hình 13-5 Sơ đồ bình điện thẩm tích

Bình có cấu tạo hình hộp được ngăn bởi hai màng bán thấm chia thành ba ngăn riêng biệt Dung dịch keo cần làm sạch đựng ở ngăn giữa C, hai ngăn khác K - ngăn catot, và A - ngan anot, trong đó các điện cực (anot và catot của nguồn điện) được nhúng trong nước cất sạch (dòng nước chảy vào và ra liên tục) Dưới tác dụng của điện trường các cation chuyển về catot, anion chuyển về

457

anot, hoặc phóng điện hoặc khong va déu bị nước cuốn đi Sự làm sạch keo bằng phương pháp này chỉ đồi hỏi một vài gid

Trong kỹ thuật, diện thẩm tích được ứng dung dé làm sạch các keo, gelatin, chat mau và nhiều chất khác,

Ngoài phương pháp thẩm tích, người ta còn làm sạch hệ keo bằng phương pháp siêu lọc, qua màng lọc có kích thước nhỏ hơn kích thước hạt keo

13.2 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BAN CUA DUNG DICH KEO

Dụng địch keo có nhiều đặc điểm khác với dung dịch thực Sự khác nhau đó thể hiện ở những tính chất sau:

13.2.1 Tính chất động học - phân tử của dung dịch keo

(Ù Sự khuếch tán va chuyén dong Brown

Tốc độ chuyển động của các hạt keo trong sol ở trạng thái bển vững nhỏ hơn nhiều so với

tốc độ chuyển động của các phân tử và ion trong dung dich thực Điều dé được thể hiện rõ trong

3.105 - 4.10 m không dịch chuyển dưới tác động va đập các phân tử dung môi, vì mọi tác động lên hạt là cân bang theo các hướng

Trong dụng dịch các hạt keo thực hiện các chuyển động tịnh tiến giữa các lần va chạm (hình 13-6), Khoảng cách chuyển địch do hạt Keo thực hiện theo một hướng đã cho và sau một thời gian Lđược gọi là quảng chuyên dịch trùng bình, ký hiệu Á

i>

Hình 13-6 Sơ đỗ chuyển động Brown của hạt keo

Giữa A và D có mối liên hệ được xác định theo phương trình Ejnstein:

Nghĩa là, quãng chuyển dịch rung bình của hạt keo tỷ lệ với hệ số khuếch tán D và thời giant

(ii) D6 nhét ctia dung dich keo

Sự phụ thuộc của độ nhớt cla dung dịch keo với nông độ thể tích của pha phân tán dược điển tả bởi phương trình:

trong đó: nị¿ độ nhớt của dụng môi;

A và B: các hàng số Giá trị của A và l3 phụ thuộc

vào hình đáng của các hạt kco;

v: phần thể tích pha phân tần (nồng độ thể tích)

Các giá trị của A và B được tính như sau:

459

B=12/45+ 145.2 +0,2| 2) (13-6)

trong dé: a: độ dài của hạt keo;

b: độ dày của hạt keo

Đối với hạt hình cầu, Â —1, do đó:

(ii) Sự sa lắng của hệ keo

Các hạt keo trong đụng địch ngoài sự chuyển động nhiệt Brown còn chịu tác động của trọng lực Các hạt keo nhỏ chịu lực hấp dan yéu nên rất bên vững, không bị sa lắng Các hạt keo có kích thước lớn có thể bị lực hấp dần kéo xuống tách ra khỏi môi trường phân tán nghĩa là, bị sa lắng

© Toc dé sa kang

Nếu hạt keo có thể tích V, khối lượng riêng p phan tần trong chất lông có khối lượng riêng p„„ thì hạt keo bị một lực hấp dẫn tác dụng:

trong đó: g: gia tốc trọng trường;

Khi sa lắng với tốc độ u, hạt keo chịu một lực ma sắt f„„ Theo Stokes thi:

Nếu xét một tiết điện S= 1, vuông góc với phương thẳng đứng thì sau một đơn vị thời gian, một thể tích keo sa lắng qua tiết điện đó là V = 3.u = u Nếu nồng độ keo là C, thi lượng hạt keo trong thể tích u đó là: u.C

u.C chính là lượng keo đã sa lắng qua một đơn vị diện tích sau một đơn vị thời gian và được gọi là đồng sa lắng vụ

Hệ keo có bên vững được hay không phụ thuộc vào hai yếu tố tác động ngược chiều nhau:

sa lắng luôn muốn kéo các hạt keo xuống phía dưới, khuếch tán luôn có khuynh hướng sản bằng nồng độ,

Tuỳ thuộc vào tốc độ khuếch tán ¿) và tốc độ sa lắng (v„) mà:

(iv) Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo

Nhắc lại hiện tượng thẩm thấu: người ta quan sát hiện tượng thẩm thấu xảy ra khi dung môi

và dung dịch (hoặc hai dung dịch có nông độ khác nhau) được ngăn cách bởi một màng bán thấm

M Màng này cho phép dung môi chuyển qua, ngăn các phân từ hoặc ion chất tan

Theo quy tắc san bằng nồng độ, các phân tử dung môi sẽ chuyển từ dung môi (hoặc dung địch có nồng độ loãng hơn) qua màng ngăn sang phía dung dich (hoặc dung dich đặc hơn) Kết quả

là lượng dung môi ở A giảm đi, lượng dung dịch ở B tăng lên (nồng độ dung địch giảm) Hiện tượng đó được gọi là sự 0m thấu Quá trình thẩm thấu đừng lại khi đạt đến một ấp suất can bang nhất định Trên hình 13-7 diễn tả sơ đồ thẩm thấu, cột nước h tương ứng với áp suất thái thấu của chat tan trong dung dich

Áp suất thẩm thấu của một dung dịch loãng tuân theo mọi định luật khí lý tưởng do đó Van't Hoff da định nghĩa: "áp suất thấm thấu của một dung dịch nhự là úp suất được tạo ra bởi chất tan & trang thái khí lý tưởng chiến một thể tích bằng thể tích của dụng dịch tại một nhiệt độ đã

cha" (định Tuật Lan? HojJ)

Theo phương trình khí lý tưởng C7apeyrn tà có:

© — Áp suất thâm thấu của dung dich keo

Trong phương trình (13-15), C là nồng độ chất tan, nếu biểu diễn bang mol/l thi ¢ = a

Áp suất thẩm thấu của hệ keo nhỏ hơn áp suất thẩm thấu của dung địch thực vì số hạt n của

hệ keo nhỏ hơn rất nhiều so với đụng dịch thực

V7 dụ: áp suất thẩm thấu của dung dich (mudi) NaCl 3%, cia albumin 3% (phân tử lượng 65.000) và một huyền phù keo 30 g/1, hạt rắn có khối lượng 10°g, có áp suất thấm thấu tương ứng là 25,4 bar; 0,01 bar va 10? bar

464

Vì hệ keo không bên vững nhiệt động nên nồng độ của hạt keo bị giảm theo thoi g

đó áp suất thẩm thấu cũng giảm theo thời gian

Cần lưu ý rằng nếu keo không được làm sạch cẩn thận, trong hệ còn có một lượng, dù nhỏ, chất điện ly lạ, cũng sẽ lưm thay đổi đáng kể giá trị áp suất thẩm thấu TI của hệ keo

13.2.2 Tính chất quang học của dung dịch keo

eo Sultan xa duh sag

Sự tín xạ ánh sáng của một hệ keo là do sự phản xạ, khúc xạ nhiều xạ và huỳnh quang ảnh xáng của hạt keo

Thừa nhận rằng, ánh sáng nhìn thấy gồm 7 vạch quang phố: đỏ có bước sóng 2 = 649ãA,

đa cam (2 = 6065,5 A), ving (&

5624,5 A), xanh la cây (1X = 5227.5 A) xanh da trời (lam) (2 =

4678 Ả), xanh (2 = 4546.8 A) va tim (2 = 4282.4 A) Cudng độ tương đối giữa chúng:

Nếu ánh sáng bị nhiều xạ bởi các hạt, nghĩa là ánh sáng bị uốn cong khi vòng qua hạt, gây

ra tấn xa theo các hướng khác nhau, thì trong ánh sáng tán xạ cũng có các ánh sáng đơn sắc như của tía tới nhưng với cường dộ tương đối (tý lệ cường độ giữa các vạch phố) bị biến đổi Cụ thể lá:

cường độ của vạch có bước sóng ngắn hơn sẽ mạnh hơn so với ánh sáng tới Vì thế ánh sáng tần xạ của hệ Keo có màu xanh da ười nhạt, ánh sáng truyền quá có màu đỏ nhại Liiện tượng tấn xạ như thế được gọi là sự í“h gưung (opalescence) ,

đơn sắc thay đổi và các vạch phổ khác so với ánh sáng sóng tới

Thuật ngữ opalescence trong 1ừ điển khoa học và kỹ thuật Anh Việt, Nhà xuất bản KHKT 1996 được địch là: màu sữa, màu trăng đục, ánh opan

Trong thực tế, các hiện tượng ánh sáng kế trên luôn luôn xuất hiện đồng thời Tuy nhiên, tuỳ điều kiện cụ thể mà một hiệu ứng này trội hơn các hiệu ứng khác

Sự phẩn xạ ánh sáng xây ra trong trường hợp kích thước của hạt keo lon hon ubiéu so voi bước sóng Ä của ánh sáng tới Trong các hệ: huyền phù thô, nhũ tương, sương mù, bụi trong không, khí các hạt keo đều phản xạ ánh sáng Do tác động nhiệt, các hat keo chuyén dong Brown nén anh sáng phản xạ được lan truyền đồng đều khắp mọi hướng, tạo ra ánh sáng tán xạ

Nếu kích thước của hạt kea nhỏ hơn độ dài  của bước sóng ánh sáng tới thì ánh sáng bị nhiễu xạ Các hạt keo có kích thước cỡ 10” đến 10”m (10 - 1000 A) thoa man diéu kiện nhiễu xạ

Do đó ánh sáng tán xạ của các hệ keo chủ yếu là đo nhiễu xạ bởi các hại keo

® - Phương trình Ruyleigh

Mỗi một hệ keo dù ít hay nhiều đểu có tính chất ánh quang (nhiễu xa tạo hiệu ứng opalescence) Nếu hạt keo hình cầu, không dẫn điện, phan tan trong dung dich loãng thì sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng nhiều xa - tin xa do các hạt keo vào độ dài sóng và tính chat cla dung dịch keo được mô tả bởi phuong trinh Rayleigh

^À: bước sóng của ánh sáng tới;

x: khoảng cách từ hạt keo đến nguồn nhận;

n: chỉ số khúc xạ của pha phân tán;

n,: chi số khúc xạ của môi trường phân tán ; œ: gốc giữa hướng của ánh sáng tới và ánh sáng tán xạ

Phương trình (I3- L7) cho phép rút ra các kết luận sau đây:

J Đối với hai dung dịch của cùng một chất tan có nồng độ khối lượng như nhau, nhưng độ phản tán khác nhau (trong các điểu kiện như nhau) thì phương trình (13-17) có thể viết đưới dạng:

466

=K.n,VỆ ,=Kin,.Vỷ

3 3

HD

Biểu thức đó chứng tỏ rằng, cường độ của ánh sáng tán Xã đo nhiều xạ bởi hạt keo tỷ lệ bậc

3 với bán kính của hạt (tỷ lệ nghịch bậc 3 với độ phân tán)

Như vậy, bán kính hạt keo càng lớn, độ phân tán càng nhỏ thì cường độ ánh sáng tấn xã càng lớn, nghĩa là, hiệu ứng ánh quang (opalescence) của dung dịch keo càng mạnh Điều đó chỉ đúng trong giới hạn kích thước hạt keo vẫn nhỏ hơn bước sóng ánh sáng Phương trình Rayleigh không áp dụng cho dung địch thực Hiệu ứng ánh quang, của dung địch thực cực kỳ yếu

2 Độ đài sóng ánh sáng càng nhỏ chiếu vào dung dịch keo thì mức độ tấn xạ càng lớn Vì thế các dung địch keo có ánh sáng tán xạ mầu xanh lam nhạt, ánh sáng truyền qua màu đỏ nhạt Vi nguyên nhân đó, bầu trời luôn có màn xanh lam, còn lúc hoàng hôn và rạng đông ánh sáng có màu

đỏ

3 Hiệu số chỉ số khúc xạ của môi trường phân tán và pha phân tần càng nhỏ, thì cường độ ánh sáng tán xạ càng yếu Về lý thuyết, cường độ tán xạ của các khí và lòng tỉnh khiết bằng không, bởi vì n — nạ = 0 Nhưng trong thực tế lại không như thế Thực vậy, màu xanh của bầu trời gây ra

467

bởi sự tấn xạ ánh sáng không phải do bụi có trong không khí mà chủ yếu là do chính bản thân không khí Trong bất kỳ một hệ khí hoặc lỏng tỉnh khiết nào vẫn luôn luôn có hiện tượng “thang giáng” nghĩa là, có sự sai lệch mật độ tức thời của hệ dẫn đến sự sai lệch về chỉ số khúc xạ, do đó, tạo ra sự tán xạ ánh sáng Số "hạt" (tập hợp cá

nguyên tử, phân tử được tạo ra do hiện tượng thăng, giáng) rất nhỏ, do đó, cường độ tán xạ của các hệ khí và lỏng tỉnh khiết cũng rất nhỏ

Công thức /#¿y/eigli chỉ áp dụng cho các hệ keo có kích thước hạt từ 10”~— 10”m Đối với

À`

các sol có hạt từ I0” ~ 1,5.10”m cường độ tán xạ bằng:

I K (K= const, 2: bước sóng ánh sáng tới)

chuyển sang hiện tượng đục mờ

quang của dung dịch thực bằng vẻ bên ngoài

tượng ánh quang thì không xảy ra (vì dung dịch thực)

Đối với dung dịch keo người ta có thể kiếi

Nếu chiếu một chùm ánh sáng qua dung dịch keo, thì chúng ta quan sát được từ phía bên cạnh trên một nền đen một hình nón sáng phản quang do hiệu ứng ánh quang của các hạt keo tạo ra (hình 13-8),

Hình 13-8 So dé minh hoa hiéu tng Faraday - Tyndall

468

Hien cong dé duge Faraday quan sát đầu tiên năm 1857 đối với sol và

ng, sau đó được Tynddll tiếp tục nghiên cứu trên nhiều hệ keo khác Do đó sự tạo thành nón sáng phản quang ở trên được gọi là hiệu ứng Ferudea-Tvndall hoặc hình non Faraday-Tyndall Đối với dụng dịch thực thì hiệu ứng này không xuất hiện, nên nó là một phương pháp để xác định, nhận dạng các hệ keo

Có thể thấy hiệu ứng Faraday-Tyndalf trong thực tế như; ánh đèn pha chiếu trong bầu trời

ban đêm nhiều sương mù ta nắng lọt khe nhỏ đi qua một gian phòng tí

&— Kính xiên liển ví để nghiên cửa hệ keo

Vì kích thước của hạt keo nhỏ hơn độ dài bước sống ánh sáng nhìn thấy, do đó không thể

quản sát nó bằng kính hiển vỉ thường Tuy nhiên, mỗi một hạt keo déu nhiều xạ ánh sáng chiếu vào

nó do đó, nhờ vào ánh sáng nhiều xạ chúng ta có thể nhìn rõ các hạt keo Đó là nguyên tác hoạt động của dụng cụ quang học siêu hiển vũ,

Hình 13-9 Sơ đồ dụng cụ siêu hiển vi

A: nguồn chiếu áng: B, €: thấu kính;

D: dung dịch keo; E: ống nhìn

Kính siêu hiến vì khác với kính hiển vi thường chủ yếu là phương pháp chiếu sáng vat thé Trong kính hiển ví thường ánh sáng tỪ nguồn sáng được chiếu qua vật thể rồi đến mắt người quan sát theo phương truyền qua, còn trong kính siêu hiển vi ánh sáng được chiếu ngang bên cạnh vật thể, như trên sơ đổ 13-9

Chiếu một nguồn sáng có cường đô mạnh (vì cường độ ánh sáng tới càng mạnh thì cường

độ ánh sáng tần xạ (nhiều xạ) càng mạnh) Quan sắt các hạt keo nhiều xạ ánh sáng bằng ống nhìn

469

Nhờ kính siêu hiển vi, có thể đếm trực tiếp số lượng hạt keo trong một đơn vị thể tích dung địch Biết số hạt keo ` trong một đơn vị thể tích dung dich V, khối lượng tống cộng của pha phân tán m, trong dung dịch có thể tính toán được khối lượng riêng m của từng hạt keo, và sau đó có thể tính bán kính r (nếu hạt hình cầu):

m=<xrhp= 1e

gt Pray

foe Hoặc: r~ —

W4npn'V trong đó: V: thể tích dung địch keo chứa m, khối lượng pha phân tán;

p: khối lượng riêng của pha phân tán

Tuy nhiên, kính siêu hiển vi không thể xác định dạng cụ thể của các hạt keo: hình đũa, hình tấm, v.v Phải nhờ kínthiển vi điện tử, người ta mới phân biệt được dạng của các hạt keo, vì kính” hiển vi điện tử cho phép nhìn các hạt cỡ kích thước 10”m

13.2.3 Tính chất điện tích của dung dịch keo

Như đã trình bày ở mục cấu tạo của hạt keo (mục 13.1 2), bể mặt hạt keo luôn luôn tích điện Chính vì thế, hệ keo thể hiện nhiều tính chất rất đặc biệt khi chịu tác động của điện trường ngoài, hoặc của các chất điện ly

(i) Thế điện động & (zeta)

Giả sử chúng ta có một hạt keo có cấn tạo như sau (hình 13-10):

Đối với một hệ keo xác định, độ đày X của lớp khuếch tán càng lớn thế điện động š càng lớn, lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt keo càng lớn, và do đó, độ bền phân tán của hạt keo càng lớn

Khi lớp khuếch tán bị " ép” lại, nghĩa là X giảm thì š giảm, khi X = O thì § =0

Khi hạt keo ở trạng thái ứng với š = 0, người ta nói hạt keo ở trạng thái đẳng điện, Trong trạng thái đó, lực đẩy nh điện giữa các hạt keo bằng không, nghĩa là, mat di một trong các yếu tố quan trọng làm bền hạt keo

Thế điện động Š ảnh hưởng mạnh đến sự bền vững của hạt keo cũng như sự chuyển dich của nó trong các quá trình điện cực

470

X: chiều dày của lớp khuếch tán;

O-A: trục qua tâm hạt keo,

Mô hình phân bố điện thế của hạt keo (b):

ọ: dién thé Nernst: 9 = 9, + &

oy: hiéu điện thế giữa điểm trên bể mặt nhân (0) va điểm trên bể mặt trượt (M);

š; hiệu điện thế giữa điểm trên bề mặt trượt (M) và điểm biên giới của lớp khuếch tán (X);

š(zeta) được gọi là thế điện động của hạt keo

(i Các hiện tượng điện động: điện di và điện thẩm

Nam 1809 nha bác học Nga Reyas tiến hành một thí nghiệm như sau (hình 13-11)

Cảm hai ống nghiệm A và K vào một mẫu đất sét ẩm, phần dưới ống nghiệm được phủ một lớp cát sạch, cả hai ống nghiệm đến chứa nước và có điện cực nối với nguồn điện ngoài (A: anot, K:

catot)

Sau khi cho dòng điện chạy qua một thời gian Reyss nhan thấy, trong ống anot xuất hiện các hạt đất sét (nước đục), trong ống catot mức nước dâng lên, nhưng nước van Irong suốt

471

Hinh 13-11 Sơ đồ thí nghiệm của Reyss

š Do đó tốc độ chuyển địch của hạt Vụ lý lệ với E:

=

(13-18)

472

K= ULE msl Vi, (13-19)

yl trong đó: U: điện áp giữa hai điện Cực;

e: hằng số điện môi của môi trường phân tán;

£„ hằng số điện môi chân không:

Hình 13-12 Sơ đồ dụng cụ xác định & bang điện di

Hệ thức (13-19) được áp dụng cho các hệ keo có kích thước nhân keo lớn hơn nhiều so với

độ dày của lớp hấp phụ

Xác định thực nghiệm tốc độ chuyển động của hạt keo, biết các giá trị U, e, rị và l, có thể tính được thế điện động š của hạt keo Đối với các hệ keo bên, giá trị của Š dao động trong giới hạn 0,040 - 0,070 V, trong một vài trường hợp š đạt đến 0,100 V Ví dụ, hydrosol (dung môi là nước) của Fe(OID; với kích thước hạt keo 10”m, có Š = + 0,044V, với kích thước hạt 0.37.10”m, š = +

473

0,050V, déi vdi hydrosol As š

0.80.10”m, š = - 0,032V, đối với huyền phù sét 10”m š = — 0.049V,

- 0,032 ~ - 0,09V, đối với hydrosol vàng với kích thước hạt

Hiện ứng điện di được ứng dung trong sản xuất đổ sứ để làm sạch caolanh AI;O,.25¡iO,.2H,O khỏi các tạp chất Các hạt cao lanh nhỏ tích điện âm lắng đọng trong thùng chì

®© - Xúc định thế diện động š của hạt keo bằng hiệu ứng điện thẩm

Hình 13-13 Sơ đồ dụng cụ đo š bằng hiệu ứng điện thẩm

Sơ đồ dụng cụ xác định điện thế š bằng điện thẩm như ở hình 13-13 Phần giữa (1) của ống chữ U được đặt một màng ngân được làm bảng vật liệu cần nghiên cứu (để đo š) Nối hai điện cực bằng dòng điện một chiều chất lỏng chuyển dịch qua màng và dang lên, được đo ở miao quản 2

Cũng như trong hiệu ứng điện di thể tích của chất lỏng chảy qua mao quan sau 1 giây trong hiệu ứng điện thẩm này cũng tỷ lệ với thế š, nghĩa là:

trong đó: V: thể tích pha lỏng chảy qua mao quản;

K: hệ số tỷ lệ, được tính theo công thức:

474

(b)

ở đây: 1: cường độ dòng điện qua hệ:

rị: độ nhớt chat long:

e: hằng số điện môi của chất lỏng;

£„: hằng số điện môi chân không;

x: độ dẫn điện riêng của chất lòng

Như vậy, xác định được thể tích chất lỏng V qua mạo quản, biết các giá trị e, Í,n và z chúng ta có thể tính được thế điện động Š của vât liệu nghiên cứu

Lưu ý rằng, tuỳ bản chất vật liệu và chất lỏng mà điện thế § Am hoặc dương, do đó chất lỏng sẽ chuyển về điện cực tương ứng thuận theo chiều diện trường Trong trường hợp xét ở trên, thế š là âm, chat long tích điện đương nên chuyển vẻ catôi

Hiện tượng điện thẩm được ứng dụng trong việc làm mất nước của các vật liệu nhão tầm các dung dịch vào g6 dé nang cao chất lượng 26, chong sau mot, để nâng cao hiệu suất cắt bàn, lây kim loại trong sản xuất gạch (đây được nối với cực âm, khối đất sét làm gạch với cực dương, nước trong đất sét đến bám vào đây cắt, làm giảm ma sất và không dính sết vào đây cat) Tiện tượng tương tự cũng xảy ra khi lưỡi cày mây (có điện thế âm hơn) tiếp xúc với đất ruộng (điện thế dương

hơn và chứa

im) làm giảm độ ma sắt giữa đất và lưỡi cày đến khoảng 80%

(iii) Các yếu tố ảnh hưởng đến thế điện động é

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến thế điện động Š trên bề mặt trượt của hạt keo:

©— Ảnh hưởng của chất điện ly lạ

Thuật ngữ "chất điện ly lạ” được dùng ở đây với ngụ ý rằng, chất điện ly không có các ion tham gia vào lớp tạo thế Do đó khi thay đổi nồng độ của nó điện thế Merusr @ của hạt keo (0 = 9, +Š, xem mục ¡) của 13,2.3) không thay đổi

Người ta đã xác định được rằng với sự có mặt của chất điện ly lạ, độ dày của lớp khuếch tán liên hệ với điện tích z và nông độ C của ion như sau: